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Résumé 

Mots clés : IHM, C3S, AVBP, LES, interface graphique

Table des matières 

Introduction Le CERFACS . . . . . 1 

Présentation d'AVBP . . . . . . . 2 

Les besoins industriels liés à AVBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

La chaîne de calcul C3S : jonction entre l'industrie et la recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 

1 Présentation de la chaîne de calcul C3S 1.1 Organisation générale de C3S . . . . . 7 

1.2 L'interface de pré-traitement PREC3S 8 

1.2.1 L'onglet "mesh management" . 9 

1.2.2 L'onglet "Physical parameters" 10 

1.2.3 L'onglet "Initialization" . . . . . 11 

1.2.4 L'onglet "Boundary conditions". 12 

1.2.5 L'onglet "Local probes" . . 16 

1.3 L'interface de lancement RUNC3S 16 

1.3.1 L'onglet "Input les". . . . . . . . . . . 17 

1.3.2 L'onglet "Temporal/output parameters" 17 

1.3.3 L'onglet "Numerical parameters" 18 

1.3.4 L'onglet "Launch run" . . . . . . . 18 

1.4 L'interface de post-traitement POSTC3S 22 

1.4.1 L'onglet "Retrieve data" . 22 

1.4.2 L'onglet "Steady results" . 24 

1.4.3 L'onglet "Unsteady results" . . 24 

1.4.4 L'onglet "Temporal evolution" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 

2 Validation de la chaîne de calcul C3S 29 

2.1 Mise en place du tutorial PRECCINSTA pour C3S 29 

2.2 Étude d'un canal turbulent avec C3S 31 

2.2.1 Objectifs 31 

2.2.2 Démarche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 

2.2.3 Modélisation d'un canal périodique turbulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

3 Présentation de l'outil Genprole 39 

3.1 Conditions aux limites de parois d'AVBP . . . . . . . 39 

3.2 Détermination de la forme globale du prol de vitesse . . 41 

3.3 Description de la démarche de genprole et de son codage. 43 

3.3.1 Initialisation et lecture des chiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 

v

vi 

Table des matières 

3.3.2 Détermination des noeuds communs 43 

3.3.3 Calcul de la distance au mur . . . . . 43 

3.3.4 Détermination de la forme de l'entrée 43 

3.3.5 Détermination du prol de vitesse 44 

3.3.6 Correction numérique du ux 44 

3.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 

3.4.1 Conditions aux limites de type WALL_LAW . . 44 

3.4.2 Conditions aux limites de type WALL_NOSLIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 

Conclusions 47

Introduction 

1. Le CERFACS 

Le CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée au Calcul Scientique) est un organisme 

de recherche dont le but est de développer des méthodes avancées de simulations numériques pour 

divers sujets scientiques et technologiques d'intérêt, tant pour la recherche que pour l'industrie, et nécessitant 

l'accès aux moyens de calculs actuels les plus performants. 

Le CERFACS est détenu par 6 actionnaires : CNES, EADS France, EDF, Météo-France, ONERA et 

SNECMA. 

Il héberge des équipes regroupant plusieurs disciplines telles que : physique, mathématiques appliqués, informatique 

et analyse numérique. 

Les 6 principaux domaines de recherche sont : 

l'algorithmique parallèle 

l'aérodynamique 

la combustion 

le climat et l'environnement 

l'acquisition de données 

l'électromagnétisme 

C'est au sein de l'équipe CFD (Computational Fluid Dynamic), dans le groupe combustion que j'ai eectué 

mon stage. 

La CFD consiste à modéliser numériquement le comportement, autour ou dans une géométrie plus ou moins 

complexe, d'un uide régi par diérentes équations : les équations d'Helmotz (acoustique d'un milieu), les 

équations d'Euler (uide non-visqueux) ou les équations de Navier-Stokes (uide réel). 

Ces équations sont résolues par 3 principales catégories de simulations numériques [10] : 

Laméthodelaplusutiliséedansl'industrieestlaméthodeRANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes), 

car peu coûteuse en puissance de calcul. Les équations de Navier-Stokes sont moyennées sur un ensemble 

de réalisations, et on utilise un modèle de turbulence pour fermer le système d'équations, ce 

qui implique la résolution d'équations supplémentaires. Cette méthode ne peut donc pas décrire correctement 

un écoulement instationnaire. 

La LES (Large Eddy Simulation), contrairement à la méthode RANS, ne modélise l'évolution des 

structures turbulentes que pour les petites échelles. On ltre spatialement les fonctions instantanées, 

ainsi seules les grosses structures dont la taille est supérieure à l'échelle de ltrage sont calculées. 

La DNS (Direct Numerical Simulation) est la méthode la plus coûteuse en puissance de calcul car 

comme son nom l'indique, elle résoud toutes les structures de l'écoulement turbulent. Ainsi elle est la 

plus simple à concevoir car elle ne nécessite aucun modèle de turbulence; cependant an de founir des 

résultats apréciables, il est nécessaire que le maillage puisse capter toutes les échelles de la turbulence, 

c'est-à-dire que la taille de la maille soit plus petite que la taille des plus petits tourbillons (selon les 

hypothèses de Kolmogorov). De ce fait, la DNS reste à l'heure actuelle limitée à des calculs académiquesdansdesgéométriessimples.Sesprincipalesutilisationssontl'étudedesphénomènesphysiques 

turbulents encore mal compris et la validation de modèles de turbulence; elle peut être aussi utilisée 

comme "expérience numérique". 

1

2 Introduction 

2. Présentation d'AVBP 

Le projet AVBP a commencé en 1993 sous l'impulsion de Michael Rudgyard et de Thilo Schönfeld dans 

lebutdecréerunoutilmoderneecaceetmodulairepourlaCFDauCERFACS.Depuislors,leprojets'est 

développérapidementetaujourd'hui,souslaconduitedeThierryPoinsot, AVBP estundesoutilsdepointe 

en CFD pour la simulation des écoulements turbulents instationnaires réactifs [7]. AVBP est utilisé aussi 

bien pour la recherche fondamentale que dans des congurations industrielles ([11], [13] et [6]). Aujourd'hui, 

l'équipe du projet AVBP comporte environ 30 chercheurs et ingénieurs. 

AVBP est un code parallèle qui résout les équations de Navier-Stokes compressibles sur des maillages 

nonstructurésouhybrides.Sondomainedeprédilectionactuelestlamodélisationdesécoulementsinstationnaires 

réactifs avec une approche LES dans des congurations de chambre de combustion. La modélisation 

de l'intégralité des réactions chimiques étant trop coûteuse, AVBP utilise un modèle de chimie réduite basé 

sur la loi d'Arrhenius pour étudier les écoulements réactifs dans des congurations complexes. 

Le développement des modèles physiques utilisés au CERFACS est eectué par des études au sein de 

laboratoires universitaires tels que l'EM2C de l'Ecole Centrale de Paris (ECP) et l'Institut de Mécanique 

des Fluides de Toulouse (IMFT). Aujourd'hui, la propriété d'AVBP est partagée avec l'Institut Français 

du Pétrole (IFP), situé en région parisienne, selon un accord de développement commun du code pour des 

applications aux moteurs à piston. D'importants liens ont été établis avec l'industrie, notamment avec le 

groupe Safran (Snecma, Turbomeca), Air Liquide, Gaz De France, ainsi qu'avec Alstom et Siemens Power 

Generation. 

Le code de calcul AVBP est utilisé dans le cadre de nombreuses collaborations industrielles bilatérales 

et programmes de recherche nationaux (INCA), ainsi que des programmes de recherche européens (PREC- 

CINSTA,INTELLECT-DM,MOLECULES,DESIRE,FUELCHIEFetLESSCO2).Plusieurscollaborateurs 

utilisentAVBP danslecadredesprogrammesMarieCurieFLUISTCOM(2004-2007)etECCOMET(depuis 

2006). Enn AVBP est utilisé par des membres de l'équipe de CFD pour la recherche dans le cadre, entre 

autres, des cours d'été au Center for Turbulence Research de l'université de Stanford. 

Letraitementdemaillagesnonstructurésouhybridesestundesélémentscléd'AVBP.Avecl'utilisation 

de ces maillages hybrides, dans lesquels une combinaison de plusieurs éléments de type diérent est utilisé 

au sein d'un même maillage, les avantages des maillages non structurés et structurés sont combinés : la modularité 

du maillage et la précision de la solution. An de traiter correctement de tels maillages la structure 

des données d'AVBP utilise une discrétisation par volumes nis de type cell-vertex. 

Dans le cas d'AVBP, le ltrage appliqué pour la LES est implicite, c'est-à-dire que c'est la taille des 

mailles qui détermine la taille du ltrage. Ainsi l'échelle caractéristique de la LES dans AVBP est la taille 

de la maille; la résolution dépend donc intrinsèquement du maillage. 

Les aspects liés au maillage d'AVBP sont traités par l'outil de pré-processing multi-fonctions HIP. Cet 

outildemanipulationdemaillagepermetdiversesopérationstellesquel'interpolationgénériquedesolutions 

entre deux maillages, le découpage ou la fusion de maillage, la validation de maillage, l'amélioration locale 

adaptative de maillage, l'extrusion de maillage ou la création de maillages axi-symétriques. 

Résumé des principales caractéristiques d'AVBP : 

Congurations d'écoulements : écoulements 2D ou 3D, internes ou externes, compressibles parfaits 

ou uides visqueux, stationnaires ou instationnaires. 

Types de maillages : non-structurés composés de triangles ou de tétraèdres, non-structurés composés 

de quadrilatères ou d'hexaèdres, maillages hybrides (possibilité de prismes ou de pyramides) et

éléments dérivés. Maillages mobiles pour l'application aux moteurs à piston. 

Turbulence : simulations d'écoulements turbulents instationnaires basés sur la LES ( modèles de 

SmagorinskyetWale[8]),loisdeparoipourlaLES,échantillonnagedeschampstemporelsdesolution. 

Diphasique : modèles de suivi des particules eulérien ou lagrangien, monodisperse ou polydisperse, 

modèle d'évaporation. 

Combustion : ammes de prémélange ou de diusion, instabilités de combustion, combustion turbulente 

instationnaire en utilisant la LES, mélange, modèles dynamiques d'épaisseur de amme. 

Méthodes numériques : discrétisation spatiale centrée par volumes nis de type cell-vertex, Lax- 

Wendro; Runge-Kutta multi-étapes pour la discrétisation temporelle; discrétisation spatiale de type 

éléments nis Taylor-Galerkin TTGC au 3ème ordre à faible dissipation pour la LES [2]; large choix 

de conditions limites basées sur la méthode des caractéristiques. 

Calcul parallèle : exécution avec MPI sur IBM BlueGene/L, IBM JS21, IBM pSeries 550Q, CRAY 

XD1, COMPAQ AlphaServer SC45. 

3. Les besoins industriels liés à AVBP 

L'approche LES de ce code en fait un outil de prédilection pour la prévision de phénomènes instationnaires. 

Instabilités thermo-acoustiques : pour les injecteurs vrillés (dits "swirlés"), il est possible d'examiner le 

PVC(PrecessingVortexCore)etdedéterminersafréquencedebattement.Dansdescasgénéralement 

peu comodes, le PVC peut exciter un mode acoustique de la chambre et des instabilités peuvent se 

développer.Destravaux,menésparY.Sommereren2004[15],surleretourdeammedansl'injecteur 

("ashback")prouventl'aptituded'AVBP àprédirecegenredeproblème.Untelphénomèneintéresse 

l'industriel car il peut être dommageable pour la chambre de combustion (dégradation de sa durée de 

vie) voire destructeur. 

Combustion. Le code AVBP a aussi prouvé ses capacités dans le domaine de la combustion. Dans 

la chambre de combustion d'hélicoptère ARRIUS (développé par TURBOMECA), G. Boudier [1] a 

déterminé la réponse temporelle de la chambre à une commande d'entrée en richesse. Ceci a permis 

de mettre en évidence le débit kérosène "limite" d'extinction pour un régime donné. 

AVBP peut donc s'intégrer aisément dans des phases d'avant-projet voire même dans des phases de développement. 

Cela explique l'intérêt que peuvent porter les groupes industriels comme SNECMA et TURBO- 

MECAauxcalculseectuésdanslegroupecombustion.Parsouciderentabilitéetdecompétitivitélaphase 

d'avant-projet et de dénition du système est cruciale. Pour cela AVBP se montre un outil idéal. La preuve 

en est que, de nombreux doctorants du CERFACS sont nancés par les industriels pour se former à AVBP 

dans leurs congurations. 

Cependant à l'heure actuelle l'utilisation d'un tel code est réduite à quelques experts. La manipulation 

de ce code nécessite la connaissance des multiples chiers d'entrée qui le compose. Pour un simple calcul 

"non-réactif monophasique" pas moins de 14 chiers sont nécessaires. De plus il est indispensable de comprendre 

le fonctionnement interne du code pour optimiser les temps de calcul et la précision des résultats. 

AVBP reste donc pour l'instant un code développé par la recherche pour des utilisateurs formés. 

Les principaux besoins industriels pour une simulation numérique sont listés ci-dessous : 

Analyse de phénomènes instationnaires comme les instabilités de combustion. 

Code pouvant simuler un écoulement dans une géométrie complexe de façon précise. 

Temps et coût de calcul pour obtenir un résultat raisonnables. 

Uneutilisationsimpleetrapide:priseenmainfacile,suivid'uncalculaisé,existenced'outilsecaces 

(de pré et post-traitement). 

Robustesse du code et de son interface (s'il y en a une). 

3

4 Introduction 

Portage du code possible sur plusieurs plateformes. 

4. La chaîne de calcul C3S : jonction entre l'industrie et la recherche 

Vu les performances du code et les dicultés à l'utiliser dans un contexte industriel, le groupe SAFRAN 

(plus particulièrement SNECMA et TURBOMECA) a décidé de coner au CERFACS la charge d'industrialiser 

AVBP sous la forme d'une chaîne de calcul nommée C3S. Le déveleppoment de cette interface 

dontlesspécicationssontdéniesdansuncahierdeschargesstrictestrevenuàmonencadrantMauroPorta 

et moi-même. Ayant réalisé sa thèse au CERFACS sur le traitement des conditions limites et le numérique 

dans AVBP , Mauro Porta a pu mettre au service de C3S son expertise du code AVBP. Je me suis pour 

mapartinvestidanslacompréhensionducode AVBP,desbesoinsindustrielsetdeleurintégrationdans C3S. 

Letitredecestageest:Aideaudéveloppementdel'interfacegraphiqueetqualicationdulogicielAVBP. 

Les principaux objectifs de mon stage sont les suivants : 

Apprentissage du language Tcl/Tk ([4] et [5]). 

Prise en main du code AVBP à l'aide de tutoriaux. 

Étude des besoins industriels et développement de la chaîne de calcul C3S. 

Adaptation et création de nouveaux outils FORTRAN pour C3S et AVBP [3]. 

Le choix de l'architecture globale de C3S n'était pas donné au CERFACS. Il a été stipulé dans le 

cahier des charges que C3S devrait posséder trois parties : 

PREC3S dénitlesparamètresphysiquesducalculàsoumettre.Plusieursongletspermettentdegérer 

lemaillage,lasolutioninitiale,lesconditionsauxlimitesàemployerouencorelessondesàinsérerdans 

le calcul. Ces sondes récupèrent l'évolution temporelle des variables en un noeud donné du maillage. 

RUNC3S dénit les paramètres numériques du calcul. L'utilisateur peut déterminer la durée de son 

calcul,lafréquenced'échantillonnagepourlasauvegardedessolutionsinstantannées(dites"snapshot") 

oumoyennées.L'utilisateursélectionnesonschémanumérique,puisillancesoncalculsurunemachine 

de calcul. 

POSTC3S est l'interface qui gère le post-traitement des données, qu'il s'agisse de solutions ou de 

résultats temporels. 

Lechoixdu language informatique aétéréaliséavantmonarrivéeparleCERFACSenaccordavecle 

groupe SAFRAN. AVBP et ses outils sont codés en fortran 90 et en C, il fallait donc pouvoir intégrer cette 

nouvellechaînedecalculsanspourautantrecodertouslesoutilsetrisquerdeperdrelelienintrinsèqueentre 

C3S et AVBP. Pour cela le CERFACS a décidé de développer cette interface en Tcl/Tk, language ayant 

déjà été utilisé chez SNECMA et TURBOMECA. Tcl est inspiré du shell et permet une grande souplesse 

d'utilisation.C'estunlanguageinterprétéquipermetuncodagerapide.Mêmesisonapprentissagen'estpas 

immédiat, il est d'une grande puissance, idéale pour la création d'une interface. En eet pour Tcl, toutes 

les variables sont des chaînes de caractères, cela permet d'avoir à disposition une grande quantité d'outils 

capablesdelestraiterfacilement(idéalpourlescheminsdechiersetautres).DeplusTcl/Tkestdisponible 

sur la plupart des plateformes, son interpréteur wish est présent sous Windows, Mac et Linux. Ceci est 

un élément essentiel sachant que nous avons développé C3S sous Linux pour ensuite porter l'interface sur 

WindowspourSNECMAetTURBOMECA.Pourcefairenousavonsutilisél'émulateurLinux Cygwin ainsi 

que son serveur X associé. 

Danslecadred'uneutilisationplusclaire,nousavonsdéveloppéenplusdesoutilsd'AVBP nos propres 

outils FORTRAN pour C3S. Il s'agit principalement d'outils qui extraient l'information depuis les - 

chiers AVBP pour les acher ensuite à l'utilisateur. Ainsi des outils comme checkndim lisent le maillage 

pour connaître le nombre de noeuds, le nombre de cellules et le volume de la plus petite cellule (critère 

contraignant pour le pas de temps). L'adaptation de certains outils AVBP a dû aussi être eectuée pour 

convenir aux nouvelles demandes. Je me suis par exemple intéressé au début de mon stage à genprole qui 

crée automatiquement en entrée des prols de vitesse cohérents avec les types de murs voisins. Mauro Porta 

a créé get_patch_surf qui écrit dans un chier de sortie les surfaces (calculées numériquement) de tous 

les patchs. Ainsi C3S demande à l'utilisateur le débit massique nécessaire en entrée pour ensuite fournir à 

AVBP le débit massique surfacique. Cela évite entre autres les problèmes dus au fait que la surface réelle et

la surface numérique peuvent diérer. Cela montre aussi que nous avons particulièrement étudié la question 

de la robustesse de l'interface. 

Nous avons insisté sur le point de la robustesse plutôt que sur l'apparence graphique. En eet il fallait 

réaliserenun anuneinterfaceablepourl'industriel.Danscetteoptiquede nombreusesprocéduresdetests 

ontétécrééespourvérierlavaliditéetlacohérencedesentréesutilisateurs.L'organisationinternedestrois 

interfaces a été adaptée aux problèmes rencontrés lors des cas tests si la robustesse en était accrue. 

L'apprentissage de C3S a aussi été un point clé pour la pérennité du projet. En eet l'industriel a 

besoind'unechaînedecalculplussimpleàcomprendrequelemaniementducode AVBP.PourcelaC3S suit 

une démarche logique aboutissant instinctivement au lancement du calcul. L'utilisateur averti peut cependant 

rompre cet ordre et utiliser des raccourcis que nous avons mis à sa disposition pour gagner du temps. 

En cas de problèmes l'utilisateur peut à tout moment se référer à la documentation que nous fournissons 

avec l'interface. Elle contient un tutorial pour apprendre et un guide explicatif de C3S. Pour de plus amples 

informations sur le code lui-même l'utilisateur a accès à la documentation en ligne d'AVBP. 

Enn pour tester cette interface de multiples cas tests ont été eectués. Lors du développement nous 

avons principalement utilisé de simples maillages 2D qui nous ont permis de vérier si tous les paramètres 

dénit dans C3S étaient bien appliqués dans AVBP. Nous avons ensuite utilisé des congurations industrielles 

pour montrer à SNECMA et TURBOMECA que les résultats étaient identiques avec et sans C3S. 

Pourmapartjemesuisprincipalementservide C3S pourprépareretlancermescalculs AVBP qu'ils'agisse 

delacongurationPRECCINSTApourlarédactiondututorialoudel'étudeinachevéed'uncanalturbulent. 

Je me suis ensuite personnellement déplacé à TURBOMECA (Bordes) et SNECMA (Villaroche) pour 

présenter et installer la version 1.0 de C3S. Cela m'a permis de rentrer en contact avec les industriels. Le 

développementderelationspluspersonnellesnousaparlasuiteaidéspourlamiseenplaced'une assistance 

pour les utilisateurs industriels de C3S. 

Danslerapportsuivantjevousprésenteraidoncl'architecturede C3S etlesraisonsquinousontpoussésà 

l'adopter;puislescongurationsutiliséespourvalider C3S serontdécrites;etennlaprésentationdel'outil 

genprole illustrera l'intégration de nouveaux outils C3S avec ceux d'AVBP. 

5

6 Introduction

Chapitre 1 

Présentation de la chaîne de calcul 

C3S 

1.1 Organisation générale de C3S 

L'interface graphique possède naturellement ses propres chiers sources mais aussi de nombreux outils 

C et FORTRAN développés par les utilisateurs d'AVBP. Comme stipulé dans le cahier des charges de C3S 

version 1.0, l'interface graphique se découpe en trois parties : 

PREC3S 

RUNC3S 

POSTC3S 

Pouraccéderàcestroisdiérentesinterfaces,L'utilisateurlanceunefenêtred'ouverturede C3S (voirg.1.1). 

Fig. 1.1 Fenêtre de lancement de C3S. 

C3S étant un outil d'AVBP, les chiers sources ont été placés dans un répertoire nommé C3S inclus 

dansceluid'AVBP (voirg.1.2).Leschierssuivantssontnécessairesaubonfonctionnementdel'interface: 

Le chier C3S/c3s.tcl qui permet de lancer la fenêtre d'ouverture de C3S 

Le répertoire C3S/PREC3S contient les chiers sources de PREC3S. 

Le répertoire C3S/RUNC3S contient les chiers sources de RUNC3S. 

Le répertoire C3S/POSTC3S contient les chiers sources de POSTC3S. 

LerépertoireC3S/SHAREDcontientlesprocédurescommunesàtouteslesinterfaces(procedures.tcl) 

et aussi l'agencement graphique sous forme d'onglets (notebook.tcl et tabnbook.tcl). 

7

8 1. PRÉSENTATION DE LA CHAÎNE DE CALCUL C3S 

Le répertoire C3S/HELP_DOC contient la documentation nécessaire à l'utilisateur pour s'assurer 

de sa démarche (C3S_user_guide.pdf), ou débuter avec un tutorial (Tutorial_AVBP.pdf). 

Lerépertoire .C3Splacéàlaracineducompteutilisateurcontientleschiersdecongurationde C3S 

(commandes et préférences pour les machines distantes). 

Les chiers sources présents dans les répertoires PREC3S, RUNC3S et POSTC3S sont organisés et 

nommés de la même façon : 

les chiers init_var_*.tcl initialisent les variables de l'interface à des valeurs par défaut, 

les chiers procedures_*.tcl contiennent toutes les procédures nécessaires au fonctionnement de 

l'interface, 

les chiers *.tcl dénissent la partie graphique de l'interface. 

.C3S: 

config_C3S 

c3s.tcl 

batch_EGEE 

batch_IMHOTEP 

batch_PLATINE 

batch_TANTALE 

batch_TM_BTMCLX1 

preference_EGEE 

preference_IMHOTEP 

preference_PLATINE 

preference_TANTALE 

preference_TM_BTMCLX1 

C3S/HELP_DOC: 

C3S_user_guide.pdf 

Tutorial_AVBP.pdf 

C3S/POSTC3S: 

init_var_postc3s.tcl 

postc3s.tcl 

procedures_postc3s.tcl 

C3S/PREC3S: 

init_var_prec3s.tcl 

prec3s.tcl 

procedures_prec3s.tcl 

C3S/RUNC3S: 

init_var_runc3s.tcl 

procedures_runc3s.tcl 

runc3s.tcl 

C3S/SHARED: 

notebook.tcl 

procedures.tcl 

tabnbook.tcl 

Fig. 1.2 Fichiers sources de C3S. 

1.2 L'interface de pré-traitement PREC3S 

Dans cette section sont présentés les diérents onglets de PREC3S. Tout d'abord une vue de l'onglet est 

donnée puis une brève description des procédures mise en jeu est apportée.

1.2. L’INTERFACE DE PRÉ-TRAITEMENT PREC3S 9 

1.2.1 L'onglet "mesh management" 

Visualisation 

Fig. 1.3 Lecture d'un maillage. 

Cette fenêtre (voir g. 1.3), permet de charger des maillages de diérents formats, ou de générer un 

maillage 2D structuré rectangulaire. 

Les formats acceptés sont : 

le format AVBP, issu du mailleur HIP développé au CERFACS, 

le format N3S, code RANS du groupe SAFRAN, 

le format FLUENT, 

le format CENTAUR issu du mailleur CENTAURSOFT (option uniquement valable pour le CER- 

FACS). 

Une fenêtre en bas de l'onglet ache les propriétés du maillage comme sa dimension, le nombre de noeud et 

le volume de la plus petite maille. 

Scénari classiques et procédures mises en jeu 

Pour lire un maillage AVBP déjà créé, l'organigramme des procédures mises en jeu est présenté sur la 

gure 1.4. 

Le rôle des principales procédures est décrit succintement ci-dessous. 

Create_visual :créeunchier.visual,utiliséuniquementparlemailleur HIP,quipermetderegrouper 

le chemin des cinq chiers de maillage. 

Mesh_properties :retournelespropriétésdumaillagequisontparlasuiteachéesdanslafenêtred'information.CetteprocédurefaitellemêmeappelàdeuxoutilsFORTRAN 

checkndim etget_patch_surf 

développés uniquement pour C3S. 

Create_BC_variables :chargeetachelesconditionslimitesdumaillagedansl'ongletdesconditions 

aux limites (voir la section 1.2.4). 

Dans le cas d'un format N3S ou FLUENT une première conversion au format AVBP a lieu avec le mailleur


Fig. 1.4 Organigramme des procédures pour la lecture d'un maillage. 

HIP Ṗour générer un maillage 2D, C3S utilise une des fonctionnalités de HIP qui crée ce maillage à partir 

des coordonnées du point supérieur droit, du point inférieur gauche et du nombre de noeuds souhaités dans 

la longueur et dans la largeur. 

L'organigramme des procédures mises en jeu lors de la création d'un maillage bidimensionnel structuré est 

présenté dans la gure 1.5. 

Fig. 1.5 Création et lecture d'un maillage 2D. 

1.2.2 L'onglet "Physical parameters" 

L'utilisateur peut choisir dans cet onglet plusieurs paramètres ayant une inuence majeure sur l'écoulement 

modélisé. Ainsi les diérents choix sont les suivants : 

Equations résolues : choix entre les équations d'Euler (uide non-visqueux) et les équations de Navier- 

Stokes. 

Simulation monophasique ou diphasique : l'utilisateur ne peut pas encore utilisé de modèles diphasiques 

car ils seront intégrés dans la version 3.0 . 

Modèledesous-maille:lechoixalieuentre,aucunmodèlecequiprésupposeunécoulementparfaitement 

laminaireouunmaillageasseznpourrésoudretoutesleséchellesdeturbulence(DNS);lemodèlede 

Smagorinsky; ou le modèle Wale plus performant que le précédent en proche paroi. Ce choix permet 

de fermer les équations. 

Modèle de combustion : l'utilisateur ne peut pas encore utilisé de modèles de combustion car ils seront 

intégrés dans la version 2.0 . 

Loi de dépendance de la viscosité en fonction de la température : l'utilisateur sélectionne soit la loi de


Sutherland (voir eq. 1.1) soit une loi exponentielle (voir eq. 1.2). 

µ = µ 0 

( T 

3/2 

T + T suth 

) ( T ref + T suth 

T 3/2 

ref 

µ = µ 0 

( T 

T ref 

) b 

(1.2) 

Où µ 0 représente la viscosité cinématique du gaz à la température de référence T ref . T suth et b sont 

deux constantes supplémentaires. 

1.2.3 L'onglet "Initialization" 

Visualisation 

AVBP est un code multi-espèces. Les espèces présentes dans le calcul sont spéciées dans le chier input_premix.dat.Lorsdelacréationd'unesolutioninitialelesoutilsFORTRANn'utilisentpasdemots-clés 

pourlesespèces,ilestdoncnécessairedeconserverlemêmeordrequeceluiécritdansl'input_premix.dat, 

sinon il pourrait y avoir confusion entre les diérentes fractions massiques des espèces. Cela est la raison 

principale pour laquelle la création de la solution initiale et l'écriture de l'input_premix.dat ont été fusionnées 

dans le même onglet "Initialization" (voir g. 1.6). 

C3S permet de générer des solutions initiales de deux façon diérentes : 

Création d'une solution à partir de "zéro", au quel cas l'utilisateur dénit des valeurs constantes dans 

toutledomainedecalculpourlapression,latempérature,lescomposantesdelavitesse,etlesfractions 

massiques des espèces. 

Interpolationàpartird'uneautresolution.Lessolutionsàinterpolerpeuventêtredediérentsformats: 

AVBP, N3S ou FLUENT. 

) 

(1.1) 

Fig. 1.6 Onglet "Initialization" de C3S.



Fig. 1.7 Organigramme présentant les procédures utilisées durant la création d'une solution initiale. 

La gure 1.7 présente les procédures impliquées dans la création d'une solution initiale. La procédure 

principale s'appelle Create_init_sol, elle lance la procédure Create_input_premix qui permet d'écrire le 

chier input_premix.dat, puis elle copie le chier input_species.dat dans le répertoire de travail, et 

enn elle exécute l'outil FORTRAN makesolution pour générer la solution. Le chier input_species.dat 

contient des données thermodynamiques sur les espèces nécessaires au remplissage de la solution initiale. 

Fig. 1.8 Organigramme présentant les procédures impliquées dans l'interpolation d'une solution. 

La gure 1.8 montre l'organisation des procédures utilisées lors de l'interpolation d'une solution. Après 

des testes sur la validité des champs, la procédure Interp_solut lance HIP pour interpoler la solution. 

Cependant, HIP pouvant avoir changé l'ordre des patchs (bug non résolu), Interp_solut relit le maillage 

pour s'assurer de sa validité. De la même façon, l'utilisateur ne sachant peut être plus quelles espèces sont 

présentes dans la solution, une ligne de commande rajoutée au script de lancement de HIP permet de les 

extraire pour créer un nouvel input_premix.dat. 

1.2.4 L'onglet "Boundary conditions" 

Présentation des conditions aux limites de AVBP 

AVBP étant un code simulant l'écoulement d'un uide compressible, des phénomènes de propagation 

d'ondes apparaissent. Pour traiter correctement les conditions aux limites on utilise une décomposition en 

ondes [9]. On détermine les ondes entrantes (calculées incorrectement car ne provenant pas du domaine de 

calcul)àl'aidederelationsenfonctiondesondessortantes(calculéescorrectementcarprovenantdudomaine 

de calcul). Cependant les conditions aux limites en LES sont beaucoup plus sensible qu'en RANS. En eet 

les instabilités naissent plus facilement en LES qu'en RANS (schémas numériques moins dissipatifs) et des 

phénomènes de réexion peuvent apparaître au niveau des entrées-sorties. Si la réexion des ondes sortante 

est trop forte cela peut entraîner une déstabilisation du calcul due à l'augmentation de l'énregie acoustique 

(et donc de l'énergie totale) dans le domaine de calcul. Pour éviter ce probléme la LES utilise des conditions 

aux limites capables de ne pas rééchir ces ondes, par exemple en imposant une onde entrante nulle. Dans 

ce cas on pourrait observer une dérive des valeurs cibles, c'est pourquoi un paramètre de relaxation a été 

introduit dans la description des ondes pour pouvoir minimiser les réexions tout en évitant la dérive des 

valeurs cibles. Le choix d'un tel paramètre est dicile à estimer avant calculs. Il dépend fortement du cas 

étudié et ne possède donc pas de valeurs prédénies. Pour les sorties, les travaux de Selle [14] peuvent servir


à dénir le paramètre de relaxation, qui peut alors être vu comme une fréquence de coupure. 

f c = κ 

4π 

f c représente la fréquence de coupure et κ le paramètre de relaxation. Ainsi les ondes ayant une fréquence 

supérieure à f c sortiront du domaine de calcul alors que les autres seront rééchies. Plus généralement, pour 

d'autres conditions limites, le paramètre de relaxation peut être vu comme la constante de raideur d'un 

ressort qui ramène la valeur trouvée par le schéma numérique vers sa valeur cible. 

SuiteàcettebrèveprésentationdesconditionslimitesNSCBC,unautreparamètreessentielpour AVBP 

est l'ordre selon lesquels les patchs sont classés. Les noeuds appartenant à n patchs sont comptés n fois 

dans le maillage de peau. Or lors d'un calcul les valeurs des variables sont imposées selon l'ordre des patchs. 

Pour un noeud appartenant à la fois au premier et au deuxième patchs la valeur retenue sera celle obtenue 

pour le deuxième patch. De ce fait les patchs doivent avoir un ordre cohérent, généralement les entrées 

sont placées en premières, puis viennent les sorties et enn les murs, les périodicités et les symétries. Par 

exemple,celapermetd'avoirunevitessenullepourlesnoeudscommunsàunmurnon-glissantetuneentrée. 

L'ensembledesconditionslimitesutiliséesestdénipardeuxchierslorsd'uncalcul AVBP etparquatre 

chiers lorsque l'on utilise l'interface C3S : 

Le chier *.asciiBound, au format ascii, indispensable à AVBP, permet de dénir les diérents 

paramètres globaux communs au patch traité. Il contient entre autres, le nom du patch, son numéro, 

son type de condition limite et les paramètres de relaxation pour les diérentes variables. 

Lechier*.solutBound,auformatbinaire,indispensableàAVBP,associeàchaquenoeuddumaillage 

de peau les valeurs cibles à atteindre. Pour créer un tel chier, C3S modie un chier FORTRAN, 

puis le recompile et l'exécute. Ce principe permet entre autre de générer des prols personnalisés, 

en entrant des équations au format FORTRAN dans le champs d'une variable. Cette conguration 

est utilisée actuellement chez TURBOMECA. Chez SNECMA pour contourner certains problèmes de 

compilation, nous avons dû développer un nouvel outil FORTRAN capable de créer directement le 

solutBound. N'ayant pas réussi à interpréter une chaîne de caractère avec le language FORTRAN 

(ex : "2 + 3" = 5), nous avons restreint l'utilisation de cet outil à la création de prol constant sur 

un patch donné. Cependant l'utilisateur a toujours la possibilité d'utiliser un autre outil FORTRAN 

appelé genprole qui crée des prols automatiques pour les vitesses en entrée. Le développement de 

cet outil a aussi fait partie de mon stage et vous trouverez de plus amples renseignements dans le 

chapitre 3. 

Le chier *.txtBound exclusif à C3S imite le .solutBound. Le .txtBound est au format ascii et 

contient lui aussi les valeurs cibles à imposer pour chaque patch. Ainsi l'interface peut le relire plus 

facilement. 

Le chier *.phys exclusif à C3S transmet à RUNC3S les données dénies dans l'onglet "Physical 

parameters" de PREC3S (voir sec. 1.2.2). 

Visualisation 

L'onglet"Boundaryconditions"(g.1.9)estlepluscomplexedesongletsde PREC3S.Ilprésentelaliste 

despatchsdansl'ordredonnéparlemaillage.Endouble-cliquantsurunpatchl'utilisateurouvreunefenêtre 

lui permettant de choisir le type de condition aux limites à imposer ainsi que tous les paramètres principaux 

liés à ce type (voir g. 1.10). An d'éviter à l'utilisateur des manipulations excessives pour accéder aux 

informations rentrées, il a la possibilité de simple-cliquer sur le patch, auquel cas les informations associées 

sont achées dans la partie droite de l'onglet. Dans ce même souci d'ecacité, il est aussi possible de 

recharger un jeu de condition aux limites déjà déni par C3S. C'est pour cela que nous avons créé un des 

deuxnouveauxchiersdeconditionauxlimites:le .txtBound.Certainesconditionsauxlimitesnécessitant 

les fractions massiques des espèces (entrées, parois multiperforées), il est demandé à l'utilisateur (si ce n'est 

pas déjà fait avec la solution initiale) de charger un input_premix.dat. 

Pour les conditions aux limites utilisant comme variable le débit massique, TURBOMECA désirait pouvoir 

intégrer les résultats de leur outil COOLANT qui permet de calculer tous les débits circulant dans leur 

chambre de combustion, qu'il s'agisse de parois multiperforées ou de trous de dilution. PREC3S comporte 

donc une fenêtre (voir g. 1.11) qui relit les débits calculés dans COOLANT aux débits imposés dans les


Fig. 1.9 Vue globale de l'onglet "Boundary conditions" de PREC3S. 

Fig. 1.10 Vue d'une fenêtre de condition aux limites de PREC3S. 

conditions aux limites, il sut pour cela de relire un chier COOLANT et indiquer à PREC3S les patchs 

correspondants.


Fig. 1.11 Vue de l'outil COOLANT. 

Fig. 1.12 Procédures impliquées dans la relecture d'un jeu de conditions aux limites. 


La gure 1.12 présente la procédure Read_asciiBound permettant de relire un jeu de conditions aux 

limites. Les chiers .asciiBound et .txtBound sont relus après diérents tests sur leur validité (nombre et 

ordre des patchs, nombre et type d'espèces). Une mise à jour de l'interface est ensuite faite par la procédure 

Refresh_BC_list. 

La gure 1.13 présente les procédures impliquées dans l'édition et la validation d'une condition aux 

limites.Endouble-cliquantsurunpatchl'utilisateurlancelaprocédure Edit_BC,ilvaparlasuitetravailler 

dans une nouvelle fenêtre avec des variables temporaires ce qui lui permet de sauvegarder ou d'annuler ses 

modications.Cette procédure a plusieurs fonctions ce qui la rend très volumineuse. 

Pour chaque type de condition aux limites une fenêtre associée est créée. Certaines conditions aux 

limites nécessitant les valeurs des fractions massiques des espèces, Edit_BC fait appel à d'autres 

procédures comme GenSpecies, Spec_select_inlet et Display_species.


Fig. 1.13 Procédures impliquées dans l'édition et la validation d'une condition aux limites. 

Si le patch sélectionné à déjà été déni alors les variables temporaires sont initialisées avec les valeurs 

précédemmentsauvegradéesoureluesdepuisleschiers .asciiBound et.txtBound.Cetteactionest 

eectué par un appel à la procédure Reset_temp. 

Si le patch sélectionné n'a jamais été déni ou si l'utilistateur change de type de condition aux limites 

en utilisant le menu déroulant au sommet de la fenêtre pop-up, les variables temporaires sont alors 

réinitialisées à des valeurs par défaut. 

Unefoislaconditionauxlimitesconvenablementdénil'utilisateurvalideseschoixencliquantsurlebouton"Apply"quiexécutelaprocédure 

Apply_BC.LaprocédureCheck_BC_input estalorslancéeàsontour 

pour vérier la validité des paramètres rentrés par l'utilisateur. Si aucune erreur n'est repérée les variables 

temporaires sont sauvegardées et la fenêtre pop-up détruite. Un appel aux procédures Refresh_BC_list et 

Display_BC_features permet de remettre à jour la liste des conditions limites dans l'interface principale. 

La gure 1.14 met en évidence les procédures impliquées lors de l'écriture des chiers .asciiBound, 

.solutBound, .txtBound et .phys. 

1.2.5 L'onglet "Local probes" 

AVBP permetd'extrairel'évolutiontemporelledesvariablescalculéesencertainsnoeudsappelés"sondes". 

Pour repérer ces sondes AVBP utilise le chier record.dat qui fait la liste des noeuds servant de sondes. Il 

est généré à l'aide de l'outil FORTRAN track qui prend en entrée la liste des coordonnées géométriques des 

sondes (chier track.choices) etqui retourne laliste des noeudsles plus prochesqui seront les sondeseectives. 

L'onglet "Local probes" permet de générer ces chiers à partir des coordonnées géométriques dénies 

par l'utilisateur. 

Les scénari possibles dans cet onglet sont simples : 

Lire un ancien chier track.choices : eectué par la procédure Load_probe. 

Ajouterunesonde:réaliséeparlaprocédure Add_local.Cettedernièreajoutedanslalistedessondes, 

visible à l'écran, la sonde dénie par ses coordonnées géométriques. 

Supprimer une sonde : la procédure Remove_local permet de supprimer la dernière sonde de la liste. 

Écrire les chiers track.choices et record.dat : réalisé par la procédure Create_local_le. 

1.3 L'interface de lancement RUNC3S 

Cette interface a pour but de : 

dénir les paramètres numériques du calcul à eectuer, 

préparer les chiers et répertoires à envoyer sur la machine de calcul,

1.3. L’INTERFACE DE LANCEMENT RUNC3S 17 

Fig. 1.14 Procédures impliquées dans l'écriture des chiers condition limite, notamment le .asciiBound 

et .solutBound. 

lancer le calcul. 

Pour cela RUNC3S est découpée en quatre onglets que nous présenterons un à un en expliquant leur rôle 

et les procédures invoquées s'il y en a. Néanmoins l'accent sera mis sur le dernier onglet qui est le plus 

complexe, et qui réalise à lui seul les deux derniers objectifs précédemment cités. 

1.3.1 L'onglet "Input les" 

L'onglet"Inputles"possèdetroischamps(maillage,conditionslimites,solutioninitiale)quipermettent 

de faire le lien entre le calcul préparé par PREC3S et le calcul que l'utilisateur lancera. 

1.3.2 L'onglet "Temporal/output parameters" 

L'onglet "Temporal/output parameters" (présenté sur la gure 1.15) dénit les paramètres de sortie 

d'AVBP. Ainsi l'utilisateur peut dénir : 

La fréquence d'échantillonnage pourses résultats temporels. Ce paramètre inuence donc les résultats 

des sondes et les données globales sur le calcul (ex : pression maximale dans le domaine de calcul en 

fonction du temps, voir sec. 1.4.4). 

La création ou non de solutions moyennées. Si l'utilisateur utilise ces solutions il doit alors dénir 

une fréquence d'échantillonage et une fréquence de sauvegarde. Ces solutions sont notamment utiles 

dans le cas d'un écoulement turbulent car elles permettent d'extraire directement certaines valeurs 

intéressantes comme les RMS. 

Les paramètres de sauvegarde des solutions instantannées et la durée du calcul. Un calcul peut être


Fig. 1.15 Dénition des paramètres de sortie d'AVBP. 

contraint en temps physique ou en itération. Dans les deux cas l'utilisateur doit mentionner la durée 

totale et la fréquence de sauvegarde de solutions instantannées. 

1.3.3 L'onglet "Numerical parameters" 

Les paramètres numériques présents dans cet onglet (voir g. 1.16) sont : 

Le nombre de mailles par groupe. Ce paramètre est essentiel pour les performances du code, il dénit 

le nombre d'éléments chargés dans la mémoire cache lors du calcul des gradients ou des divergences. 

Le schéma numérique. L'utilisateur a la possibilité d'utiliser les schémas Lax Wendro ordre en 

espace et en temps), TTGC ordre en espace et en temps) et TTG4A ordre (2ème en temps et 

ordre en espace). 

(3ème (4ème 

Le 3ème pas de temps. Il peut être xé par l'utilisateur ou calculé grâce à la condition CFL. AVBP étant 

explicite le pas de temps est souvent contraint par la plus petite maille du maillage. 

La viscosité articielle. Les schémas numériques utilisés dans AVBP sont des schémas centrés. Étant 

sensibles aux perturabtions de très petite échelle (appelées aussi "wiggles"), il est commode d'utiliser 

de la viscosité articielle pour supprimer ces oscillations et aussi linéariser les forts gradients. Les 

modèles de viscosité articielle sont basés sur la combinaison de deux termes : le premier est un 

terme qui permet de capter les forts gradients (appelé viscosité de ordre), le second est un terme 

de dissipation "de fond" (appelé viscosité de ordre). L'activation 2ème de ces modèles se fait par 

l'intermédiaire de capteur qui dénissent si un endroit 4ème a besoin ou non de viscosité articielle. 

1.3.4 L'onglet "Launch run" 

Visualisation 

Jemesuispersonnellementchargédudéveloppementdel'onglet"Launchrun"(voirg.1.17).Ilprépare 

leschiersetlesrépertoiresnécessairesdansunchiercompresséqu'ilenvoieensuitesurlamachinedecalcul. 

Lazonegraphiquecentraledépenduniquementdelamachinedecalculetdemandeàl'utilisateurdespécier


Fig. 1.16 Dénition des paramètres numériques d'AVBP. 

Fig. 1.17 Onglet "Launch run". 

touslesparamètresspéciquesàcettemachine.Parexempleilpeuts'agirdunombredeprocesseursàallouer, 

de la taille mémoire requise, du temps physique requis, d'une adresse internet pour prévenir l'utilisateur 

quand son calcul est terminé... Ces paramètres sont reconnus automatiquement dans les chiers batch_* 

et preference_* (voir g. 1.18 et g. 1.19).


Le chier batch_* est utilisé pour soumettre un calcul sur les machines, il contient toutes les informations 

nécessaires au calculateur pour préparer le calcul puis lancer l'exécutable. 

Le chier preference_* a été créé pour que C3S sache où placer le répertoire de calcul sur la machine 

distante et comment exécuter le chier batch_*. 

# @ job_type=parallel 

# @ class = -c3s_queue- 

# @ output = output.$(jobid) 

# @ error = error.$(jobid) 

# @ restart = no 

# @ environment = COPY_ALL 

## @ resources = ConsumableCpus(1) gmports(1) 

# @ node = -c3s_node_number- 

# @ total_tasks = -c3s_proc_number- 

# @ queue 

cd -c3s_auto_job_dirhfile=~/.hostfile_ll_$$ 

ll_get_machine_list >$hfile 

NPROCS=$(wc -l $hfile |awk '{print $1}') 

/usr/bin/mpirun -machinefile $hfile -np $NPROCS -c3s_auto_exe_version- > avbp_log.txt 

rm $hfile 

Fig. 1.18 Fichier batch_EGEE situé dans le répertoire .C3S. EGEE est le nom courant du calculateur 

IBM JS21 utilisé au CERFACS. 

'c3s' 

!login on remote machine 

'/home/cfd/c3s' 

!home path on remote machine 

'/opt/ibmll/LoadL/full/bin/llsubmit -c3s_auto_batch-' !command line to run job 

4 !number of queues 

'test' 

!queue name 

'short' 

'semaine' 

'weekend' 

Scénari classiques et procédures impliquées 

Fig. 1.19 Fichier preference_EGEE. 

Fig. 1.20 Organigramme des procédures impliquées lors de la sélection d'une machine de calcul.


La gure 1.20 montre les procédures impliquées lors de la sélection d'une machine de calcul. La liste des 

machinesdecalculdisponiblesavec C3S estfaiteparlaprocédure Recognize_machine durantlacréationde 

l'interface.Laprésenced'unchier preference_TEST dénitl'existencedans C3S d'unemachineappelée 

"TEST". 

Lorsque l'utilisateur sélectionne une machine dans le menu déroulant, les caractéristiques de la dite 

machinesontluesdanslechier preference_* grâceàlaprocédure Read_pref_machine,puislaprocédure 

Read_keywords recherche dans les deux chiers (batch_* et preference_*) une liste de mots-clés. La 

forme d'un mot-clé est du type -c3s_*-, ils peuvent être remplacés automatiquement par l'interface si leur 

forme est -c3s_auto_*-, sinon un champs adapté est créé dans la fenêtre graphique. 

Cette utilisation des mots-clés permet d'avoir une méthode générale à toutes les machines. Par exemple, 

pourl'installationdeC3S chezTURBOMECAnousavonsdûrajouterunenouvellemachine,celan'aentraîné 

aucunemodicationducodedeC3S,nousavonsjustedûcréerdeuxnouveauxchiers(batch_TM_BTMCLX1 

et preference_TM_BTMCLX1). L'achage graphique des champs liés aux mots-clés est pris en charge 

automatiquement par la procédure Adapt_run_window. 

Fig. 1.21 Organigramme des procédures impliquées lors du lancement d'un calcul. 

Lors du lancement d'un calcul, RUNC3S eectue deux actions principales, tout d'abord elle prépare et 

vérieleschiersutiliséspar AVBP puiselletransfèrecesdonnéesverslamachinedistante.Vousconstaterez 

surlagure1.21quelaprocédureRun_AVBP joueunrôleclédanslaréalisationdecesactions.Lesvariables 

sonttoutd'abordvériéesparlesprocédures Check_entries etCheck_reasonable,puisl'ensembledeschiers 

associésàRUNC3S estcréésparlesprocéduresWrite_input_les,Write_sponge_le etWrite_report.Enn 

l'ensembleducalculeststructurédansdesrépertoiresparlaprocédure Write_directories.Ainsiunefoiscette 

étape terminée tous les chiers dénissant convenablement un calcul AVBP sont présents dans le répertoire 

courant. 

Les protocoles de lancement dièrent selon deux critères : l'entreprise où l'on se trouve et la machine sur 

laquelle on lance C3S. 

LeCERFACSpossèdesesproprescalculateurs.Lorsdudéveloppementdel'interfacenousnoussommes 

attelésàémettredescalculssurlaplupartd'entreeux.Ils'agissaitdevalideruneméthodedelancement 

à distance. Pour des raisons de abilité nous utilisons les protocoles ssh et scp. An que cela soit 

possible, nous créons préalablement des clés ssh qui évitent de retaper son mot de passe. Nous avions 

aussi essayé des protocoles du type "expect" cependant la diversité des réponses fournies par les 

machines nous a empêchés de généraliser cette méthode. Le chier preference_* associé à une


machine donne toutes les coordonnées nécessaires pour l'atteindre, le login du compte d'arrivée et son 

chemin (voir g. 1.19). Le chier batch_* quant à lui permet de soumettre le calcul sur la machine 

tout en respectant les principes de "queues" pour ne pas favoriser certains utilisateurs. Il est copié 

dans le répertoire courant par la procédure Write_batch qui substitue ensuite les mots-clés par leur 

véritable valeur. 

SNECMAutilisepoursescalculsdeuxmachinesduCCRT(CentredeCalculRechercheetTechnologie 

du CEA) nommées PLATINE et TANTALE. Pour des raisons de sécurité et de manipulation ils 

utilisent un outil TAUCADE qui leur permet de transférer leurs données et lancer leurs calculs. 

Nous avons donc conguré cet outil pour qu'il accepte en plus le code de calcul AVBP. Une fois la 

préparationdeschiersachevée, RUNC3S lanceTAUCADE,l'utilisateurdoitalorssimplementdénir 

le répertoire courant qu'il a utilisé pour lancer C3S et TAUCADE sélectionne automatiquement les 

chiers à envoyer. De même lorsque le calcul est achevé TAUCADE rappatrie une liste pré-dénie de 

chiers (les solutions instantannées, les solutions moyennes et les chiers temporels). 

TURBOMECA utilise aussi les deux machines du CCRT mais possède en plus un cluster LINUX 

nommé TM_BTMCLX1. Lors de notre visite, Mauro Porta et moi même avons installé C3S directement 

sur le cluster LINUX. Pour soumettre un calcul sur cette machine il faut utiliser un script de 

lancement appelé soumi qui nécessite un chier d'entrée. Nous avons donc naturellement nommé ce 

chier batch_TM_BTMCLX1 ce qui rend son écriture automatique avec C3S. Malgrès l'utilisation 

de machines diérentes, le lancement de calcul à TURBOMECA est identique à celui présent au 

CERFACS (protocoles ssh et scp). 

1.4 L'interface de post-traitement POSTC3S 

L'interface POSTC3S a pour but de post-traiter les diérents résultats fournis par AVBP. POSTC3S 

est divisée en quatre onglets, le premier d'entre eux rappatrie les données depuis la machine de calcul alors 

que les trois autres onglets permettent d'analyser chacun un type de résultat. 

1.4.1 L'onglet "Retrieve data" 

Fig. 1.22 Onglet "Retrieve data".

1.4. L’INTERFACE DE POST-TRAITEMENT POSTC3S 23 

Cet onglet (voir g. 1.22) est équivalent à l'onglet "Launch run" présent dans RUNC3S (voir sec. 1.3.4). 

Il permet de lister les chiers solutions et les chiers temporels situés sur la machine de calcul. L'utilisateur 

peut sélectionner les chiers soit en cliquant dessus soit en utilisant les boutons situés sur le côté gauche de 

l'onglet qui permettent de sélectionner tout un groupe de chier en même temps. Les chiers désignés sont 

ensuite rappatriés sur la machine locale dans le répertoire donné par l'utilisateur en haut de l'onglet. 

CetongletestprincipalementutiliséauCERFACSetàTURBOMECA.Eneetlesoutils TAUCADE et 

Soumi gère eux mêmes le rappatriement des données depuis la machine de calcul (nous les avons congurés 

pour le code AVBP). 

Fig.1.23Organigrammedesprocéduresimpliquéeslorsdurappatriementdesdonnéesdepuisunemachine 

de calcul distante. 

La gure 1.23 présente l'ensemble des procédures appelées depuis l'onglet "Retrieve data". Durant la 

création de l'interface POSTC3S, la liste des machines de calcul congurées pour C3S est créée puis acher 

dans un menu déroulant, cette action est eectuée par la procédure Recognize_machine qui est similaire à 

la procédure de même nom dans RUNC3S. 

Lorsquel'utilisateursélectionneunedecesmachinesetappuiesurlebouton"..."ildéclenchelacréation 

d'un navigateur. Pour ce faire une première procédure Create_browser crée tous les éléments graphiques du 

navigateur.Puisdeuxprocéduressontutiliséesdemanièrerécursive, Launch_navigate récupèrelesdirectives 

de l'utilisateur, dénit les nouveaux chemins et lance Navigate. À l'aide de protocole ssh et scp, Navigate se 

connecte sur la machine, se place dans le répertoire ciblé et crée une liste de tous les répertoires présents. 

Cette nouvelle liste est enn achée dans le navigateur et l'utilisateur peut alors sélectionner un nouveau 

répertoire et ainsi de suite. 

Une fois le choix d'un réperoire eectué, POSTC3S analyse le contenu de ce répertoire et des sousrépertoires 

pour lister tous les chiers présents et reconnaître leurs types. Pour cela la procédure Recognize_les 

utilise certains critères comme : 

la présence du mot "SOLUT" dans le chemin et l'extension ".h5" indiquent que le chier est probablement 

une solution instantannée.


la présence du mot "TEMPORAL" dans le chemin du chier indique que celui ci est un résultat 

temporel. 

Eneetnepossédantpaslenomexactdeschierssolutionsnousnepouvonspaslesreconnaîtredirectement, 

il nous faut nous baser sur l'organisation des répertoires donnée par RUNC3S. Ces groupes de chiers sont 

ensuite achés dans la zone graphique centrale par les procédures Create_adapted_tab et Adapt_output. 

1.4.2 L'onglet "Steady results" 

SNECMA ayant l'habitude de travailler avec le code de calcul RANS N3S, ils ont développé leurs outils 

de post-traitement sous excel. Par exemple l'outil SNECMA ppn3s crée des cartographies de température 

sur le plan de sortie de la chambre de combustion (eets sur le premier étage de turbine). L'intégration 

de tels outils n'étant pas à la charge du CERFACS, il a été stipulé que POSTC3S pourrait convertir une 

solution moyenne AVBP au format N3S. Pour ce faire l'onglet "Steady results" lance une unique procédure 

Convert_avbp2n3s qui utilise l'outil FORTRAN mean2inst pour convertir une solution moyenne AVBP en 

solution instantannée. HIP interpole ensuite cette solution sur le maillage N3S d'origine. Cependant pour 

nepasempêcherlepost-traitementdesolutionsmoyennesauprèsdeTURBOMECAouduCERFACS,ilest 

possible de post-traiter les solutions moyennes dans l'onglet "Unsteady results" (voir section 1.4.3). 

1.4.3 L'onglet "Unsteady results" 

Cet onglet permet de convertir les solutions AVBP (moyennes ou instantannées) en un format de visualisation. 

A l'heure actuelle, il est possible d'exporter les solutions sous quatre formats : Ensight, Fieldview, 

Tecplot et VTK. Pour accroître la lisibilité l'onglet "Unsteady results" est lui-même divisé en trois onglets. 

En eet les solutions AVBP possèdent de multiples variables. Certaines sont directement disponibles dans le 

chier solution alors que d'autres sont accessibles après calculs (gradients, divergence, vorticité...). Un outil 

FORTRAN appelé visual permet d'extraire de ces solutions une liste des variables présentes et calculables 

(écrite dans le chier visu.choices, voir gure 1.24). Il gère aussi la génération des chiers de visualisation. 

Le sous-onglet "AVBP variables" 

Le premier sous-onglet ne concerne que les variables déjà présentes dans la solution. Elles sont achées 

dans la partie droite de la fenêtre (voir g. 1.25) et il sut à l'utilisateur de changer 0 en 1 pour prendre 

en compte la variable dans le chier de visualisation. Les procédures utilisées par cet onglet permettent de 

gérer les entrées-sorties de l'outil visual, il s'agit donc principalement de lire un visu.choices avec la procédure 

Load_solution et de le modier en tenant compte des variables souhaitées par l'utilisateur (procédure 

Write_output). 

Le sous-onglet "Computed variables" 

La gure 1.26 montre à l'utilisateur les diérentes variables calculables à partir du chier solution qu'il 

a lu. Il peut notamment s'agir de gradients (pression, température, densité, vitesses), de divergence de la 

vitesse, de la vorticité ou d'indices servant à l'analyse de cas réactifs. 

Le sous-onglet "PSD analysis" 

Le dernier sous-onglet "PSD analysis" a été créé pour pouvoir utiliser l'outil FORTRAN psd. Ainsi 

l'utilisateur peut générer des cartes spectrales à partir d'une succession de solutions instantannées. Cet outil 

est particulièrement pratique au cas où une onde accoustique serait présente dans le calcul. Ce sous-onglet 

fait appel à plusieurs procédures, entre autres il y a Add_freq qui ajoute une fréquence dans la liste des 

fréquencesmontréedansl'interface, Remove_freq quisupprimeunefréquenceetPSD_process exécutel'outil 

psd.


VISU.CHOICES FOR AVBP V6.0 

############################################################## 

# RunParameters 

############################################################## 

- mesh files : ../MESH/mesh 

- asciiBound : ../MESH/mesh.asciiBound 

- solutBound : ../SOLUTBOUND/mesh.solutBound 

- recast : ./TEMP/recast_file 

- inputfiles directory : ./RUN/ 

- solution : .//home/combe/RUN_TEST/TEST_C3S/INIT/erebe_sol.sol.h5 

- output-targetpath : ./VISU/ 

############################################################## 

# SolParameters 

############################################################## 

- file_format : 1 

- single/multiple : 2 

- first_file : 0000001 

- last_file : 0000410 

- step : 0000001 

- create_geometry : 1 

- overwrite : 1 

############################################################## 

# Partitions 

############################################################## 

- processor_partitioning : 0 

- boundary_patches : 0 

############################################################## 

# Navier-Stokes 

############################################################## 

- rho : 0 

- pressure : 0 

- velocity : 0 

- temperature : 0 

- Cp : 0 

- Wmean : 0 

- Gamma : 0 

- Mach : 0 

############################################################## 

# RhoSpecies 

############################################################## 

- N2 : 0 

- O2 : 0 

############################################################## 

# More Computation 

############################################################## 

- Gradient : 0 

- Divergence : 0 

- Vorticity : 0 

- Q_criterion : 0 

- Phi : 0 

- Takeno : 0 

- Volume_At_Node : 0 

############################################################## 

# Boundary Conditions 

############################################################## 

- b_pressure : 0 

- b_temperature : 0 

- b_velocity : 0 

- b_Y_N2 : 0 

- b_Y_O2 : 0 

Fig. 1.24 Fichier visu.choices généré pour une solution instantannée par l'outil visual.


Fig. 1.25 Le sous-onglet "AVBP variables". 

Fig. 1.26 Le sous-onglet "Computed variables".


1.4.4 L'onglet "Temporal evolution" 

Fig. 1.27 L'onglet "Temporal evolution". 

L'évolution temporelle des grandeurs physiques est trés importante pour savoir si un calcul est stabilisé, 

s'il subit un phénomène transitoire ou s'il présente des oscillations. Le pas d'échantillonnage de ces valeurs 

est dénit par l'utilisateur dans l'onglet "Temporal/output parameters" de RUNC3S. 

Dans POSTC3S l'utilisateur a la possibilité d'acher trois types de grandeurs : 

les valeurs minimales, maximales et moyennes dans le domaine de calcul de certaines variables comme 

la pression, la température, la masse volumique et les fractions massiques des espèces. 

les ux sur tous les patchs du maillage. 

les pas de temps. L'utilisateur peut observer diérents pas de temps : acoustique, chimique, ou lié à 

la diusion. Lors du calcul, AVBP utilise le pas de temps minimal. 

Lessondessonttraitéesdelamêmefaçon, POSTC3S déclenchelescriptadapté(xl)pouracherl'évolution 

temporelle au noeud choisi de la pression, de la température, de la masse volumique, des vitesses et des 

fractions massiques des espèces. 

Pour acher ces résultats POSTC3S se base sur des scripts développés au CERFACS et sur l'outil 

xmgrace permettant d'acher plusieurs courbes dans une même fenêtre. Des problèmes ont été rencontrés 

à SNECMA avec cette méthode de fonctionnement car C3S est installée sur un serveur distant et nécessite 

l'installation supplémentaire d'un serveur X prenant en charge l'achage graphique de xmgrace. Pour éviter 

de perdre inutilement le temps nécessaire à l'achage des courbes, nous avons décidé, en accord avec 

SNECMA, de ne pas acher ces résultats mais de les écrire dans un chier au format ascii pour pouvoir 

ensuite les post-traiter avec excel.

28 1. PRÉSENTATION DE LA CHAÎNE DE CALCUL C3S

Chapitre 2 

Validation de la chaîne de calcul 

C3S 

Nousavonsmenésdiérentscastestspourvaliderlachaînedecalcul C3S.Diérentescongurationsont 

été abordées : 

Des géométries simples 2D lors du développement pour vérier l'écriture des chiers. 

Une conguration de recherche nommée PRECCINSTA lors de la conversion d'un tutorial AVBP au 

format C3S. 

Un canal turbulent pour mes travaux portant sur un système d'injection de turbulence. 

Deuxcongurationsindustriellesd'injecteursvrillésquipermettaientdemontreràSNECMAetTUR- 

BOMECA que C3S ne remettait pas en cause la qualité d'AVBP. 

J'insisterai dans cette section sur la conguration de recherche PRECCINSTA et sur le canal turbulent car 

leur réalisation m'a été conée. Le cas PRECCINSTA ayant déjà été calculé avec succès au CERFACS [11], 

ilaétéchoisipourêtreutilisécommetutorial.L'objectifdelasection2.1estdoncdedémontrerlafaisabilité 

du calcul avec C3S et de décrire brièvement la démarche appliquée dans le tutorial. 

2.1 Mise en place du tutorial PRECCINSTA pour C3S 

PRECCINSTA (Prediction and control of combustion instabilities for industrial gas turbines) est un 

projet européen s'étalant sur quatre ans et demi (mars 2001 - août 2005) qui avait pour but de comprendre, 

prédire et nalement contrôler les instabilités de combustion en régime pauvre et prémélangé. Coordonné 

par SIEMENS ce projet regroupait un consortium d'industries et de laboratoires de recherche important 

dont faisait partie le CERRFACS. Le rôle du CERFACS a été de montrer qu' à l'heure actuelle certains 

codes de calcul (comme AVBP) sont capables de déterminer les propriétés d'un écoulement réactif. Un banc 

d'essai a été installé à Berlin et à Stuttgart et a fourni de multiples mesures utiles à la validation des calculs 

numériques. 

Le calcul mené dans le tutorial C3S simule l'écoulement non-réactif dans la chambre de combustion. 

Pour ne pas imposer de prols spéciaux de vitesses et de température au niveau de la sortie de la vrille de 

l'injecteur,leplenumetlavrilleontétéégalementmaillés.Delamêmefaçonledomainedecalculnes'arrête 

pas directement à la sortie de la chambre de combustion, une partie de l'atmosphère est modélisée, ce qui 

revient à imposer une pression à "l'inni" aval. Le maillage utilisé possède donc 2 958 000 cellules sachant 

que la plus petite cellule a un volume de 2.97 10 −11 m . Les gures 2.1 et 2.2 présentent la géometrie et le 

maillage. 

3 

Les conditions aux limites utilisées dans ce calcul sont décrites dans le tableau 2.1 et la gure 1.9 de la 

section 1.2.4 présente leur intégration dans C3S. 

Pour le tutorial C3S la démarche de calcul AVBP a été reprise. Un premier calcul est lancé pour vérier 

la pertinence des conditions aux limites et celle de la solution initiale, pour ce faire la valeur des coecients 

de relaxation est augmentée (imposition forcée des valeurs cibles voir section 1.2.4). L'utilisateur post-traite 

ensuite les résultats temporels et vérie entre autres la valeur des débits entrants. Puis un deuxième calcul 

est lancé à partir d'une solution plus avancée dans le temps, cela permet à l'utilisateur de se rendre compte 

29

30 2. VALIDATION DE LA CHAÎNE DE CALCUL C3S 

Fig. 2.1 Géométrie utilisée pour le projet PRECCINSTA. 

Fig. 2.2 Visualisation du maillage non-structuré dans la zone de la vrille de l'injecteur. 

Surfaces Type de condition aux limites Valeurs cibles 

Entrée INLET_RELAX_RHOUN_T_Y Débit : 12.0 g.s 

Température : −1 

300 K 

Fraction massique de N2 : 1.0 

Sortie OUTLET_RELAX_P Pression : 101325P a 

Murs WALL_NOSLIP_ADIAB Aucun paramètre 

Tab. 2.1 Conditions aux limites utilisées pour le cas de calcul PRECCINSTA 

que la notion de convergence n'a pas de valeur en LES. En eet lors du post-traitement il peut s'apercevoir 

que les variables continuent d'évoluer temporellement. 

La diérence est aussi faite entre les solutions instantannées et les solutions moyennes. Pour chaque type

2.2. ÉTUDE D’UN CANAL TURBULENT AVEC C3S 31 

Fig. 2.3 Visualisation du PVC à la sortie de la vrille. La fréquence dans cette conguration pour un 

écoulement non-réactif est de 540 Hz. 

de solution une brève méthodologie de post-traitement est donnée, ainsi l'utilisateur peut observer au bout 

d'un temps physique de 90 ms la forme instantannée du PVC (gure 2.3) ou les zones de recirculation 

(gure 2.4). Cependant pour valider sa LES l'utilisateur fera appel aux valeurs moyennes et RMS présentes 

danslessolutionsmoyennesetsouventfourniesparlesexpérimentateurs.Celan'apasétéfaitdanscetutorial 

car le coût de calcul pour faire converger les valeurs moyennes est trop important pour être inséré dans un 

tutorial. 

Fig. 2.4 Visualisation des recirculations dans la chambre de combustion et dans le plenum pour un temps 

physique de 90 ms. 

2.2 Étude d'un canal turbulent avec C3S 

2.2.1 Objectifs 

L'écoulementdanslesconduitesd'amenéedesturbomachinesesttrèssouventturbulent,orgénéralement 

ces conduites ne sont pas incluses dans le domaine de calcul. Dans certaines congurations il peut être


intéressant de tenir compte de la turbulence qui s'est déja développée dans la conduite. Pour ce faire il m'a 

été demandé de développer un injecteur de turbulence pour les conditions aux limites d'entrée. 

2.2.2 Démarche 

Fig. 2.5 Approches possibles pour la création d'un systême d'injection de turbulence 

Comme le montre la gure 2.5, plusieurs réalisations sont possibles : 

Unepremièreapprocheseraitdecréerunebasededonnéesàpartirdecalculssurdescanauxturbulents. 

Les vitesses uctuantes seraient alors pondérées et injectées dans la condition aux limites de l'entrée 

selon l'avancement du calcul. Cette méthode se montre la moins coûteuse car une fois la base de 

donnéescréée,ilsuraitd'adapterleproldevitesseuctuanteenfonctiondudébitetdelaformede 

l'entrée.Celaprésupposequelaformeduproldevitesseuctuantedansuncanalestpeudépendante 

du nombre de Reynolds. Il s'agit donc d'une méthode peu coûteuse mais aussi peu précise. 

Une deuxième approche serait de générer un canal turbulent pour chaque entrée. Ainsi l'écoulement 

dans le canal turbulent, servant de référence pour la condition aux limites, aurait le même nombre 

de Reynolds que l'écoulement dans la conguration principale. La précision gagnée par cette méthode 

se paye par une augmentation du coût de calcul car chaque entrée pour un régime donné nécessite la 

modélisation d'un nouveau canal turbulent. 

Les principaux problèmes rencontrés par ce projet sont donc les suivants : 

Modélisation d'un canal turbulent, création d'un maillage périodique adapté, ajout d'un terme source 

pour mettre en mouvement le uide. 

Adaptation des conditions aux limites pour pouvoir introduire des nouvelles valeurs cibles en fonction 

du temps. 

Création d'un outil d'interpolation car le maillage du canal turbulent est généralement beaucoup plus 

n que celui d'une entrée de géométrie complexe. 

Sauvegarde et lecture d'une base de donnée sur machine parallèle. 

Vue la diculté de la tâche et l'eort demandé par le codage de l'interface je n'ai pas pu me coner 

pleinement à ce projet. Je ne me suis donc intéressé qu'au premier problème de modélisation d'un canal


turbulent. 

2.2.3 Modélisation d'un canal périodique turbulent 

Le but de ce canal à terme est d'extraire des prols de vitesse uctuante. Il faut donc que la turbulence 

soit pleinement développée. Pour cela j'ai utilisé un canal périodique qui n'est autre que la visualisation 

numérique d'un canal "inni". 

Imposition d'un terme source 

L'utilisationd'untermesourcevolumiqueaéténécessairepourforcerleuideàsemettreenmouvement. 

Dans le cadre de cette étude seule la géométrie et le nombre de Reynolds sont imposés, il faut donc pouvoir 

calculer la valeur du terme source à partir de ces deux données. 

Dans le cas d'un écoulement laminaire les prols de vitesse sont parfaitement connus. La résolution 

deséquationsdeNavier-Stokes[12]pouruntubecylindriquederayon Rpermetd'obtenirlesrelations 

suivantes : 

D = − π ∂p 

R4 

8ν ∂x 

u deb = − R2 

8ρν 

R = 2Ru deb 

ν 

Le terme source ∂p est à imposer à l'écoulement pour obtenir le débit D. Ce cas laminaire où l'on 

∂x 

connaitlasolutionanalytiquem'apermisdevérierl'outild'insertiondetermesourcedans AVBP ainsi 

quelemaillageprésentédanslasection2.2.3).Lagure 2.6présentelacourbed'évolutiontemporelle 

du débit. Une comparaison des prols de vitesse calculé et théorique est faite sur le graphique 2.7. 

Cette étude sur le cas laminaire m'a permis de mettre en évidence des problèmes de viscosité. Pour 

obtenir le bon débit nal il est impératif d'utiliser le moins possible de viscosité articielle. En eet 

dans cette simulation nous avons ν = ν lam + ν artificielle (le modèle de turbulence est désactivé), cela 

implique que le nombre de Reynolds dière de celui que nous croyons imposer. 

Dans le cas d'un écoulement turbulent, aucune formule analytique permet de relier la valeur du terme 

source au débit. J'ai donc utilisé la formule empirique suivante [12] : 

∂p 

∂x = λ ρ 

2R 2 u2 deb (2.1) 

∂p 

∂x 

λ = 0.3164R −0.25 , pour R ≤ 100000 

Génération du maillage 

Le maillage retenu est un maillage hybride inspiré de celui présenté dans l'article de F. Nicoud et F. 

Ducros [8]. Le canal a un diamètre de 1 mm sur une longueur de 5 mm. La géométrie est petite pour avoir 

untermesourceélevé(voiréquation2.1),celapermetd'avoirunedynamiqueplusélevéeetdoncd'atteindre 

la solution plus rapidement. 

Le nombre de Reynolds critique pour un tube est de 2300 [12], en dessous l'écoulement reste normalement 

laminaire, au dessus l'écoulement transitionne et devient turbulent. Les simulations visent à terme 

le fonctionnement d'un canal turbulent pour un nombre de Reynolds de 6000. Les données expérimentales 

présentées sur le gure 2.9 montrent clairement l'importance de la zone proche-paroi où naît la turbulence. 

Dans une couche limite turbulente, il est d'usage d'utiliser les variables adimensionnées suivantes : 

u + = u u τ 

Vitesse réduite 

Distance au mur adimensionnalisée 

y + = yu τ 

ν


Fig. 2.6 Évolution temporelle du débit pour le canal laminaire (R = 500) 

18 

16 

14 

12 

vitesse axiale (m/s) 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

−0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 

coordonnee radiale (mm) 

Fig.2.7Comparaisonduproldevitessecalculé(◦)avecleproldevitesseparaboliquethéorique(×).La 

simulationnumériquesous-estimede0.8%ledébitprévu.Celaestprobablementdûaufaitquelasimulation 

demande un temps inni pour atteindre son équilibre (voir courbe 2.6).


Où u τ est la vitesse de frottement déduite de la contrainte de cisaillement pariétale τ paroi par : 

u τ = 

√ 

τparoi 

La couche limite turbulente se décompose en deux parties : une zone très proche paroi (y + 11.8) appelée 

souscouchevisqueuseetunezoneafortioriturbulente(y + 11.8).Ilm'intéressaitprincipalementdecapter 

cettezoneprocheparoipourpouvoirlarésoudrenumériquementetainsis'aranchird'excitationquelconque 

pour faire transitionner l'écoulement. Les mailles proches de la paroi ont donc été étudiées pour avoir une 

épaisseur relative ∆ + R 

de 3, cela donne ∆ R de l'ordre de 7.4 µm. Les données géométriques du maillage sont 

résumées dans le tableau 2.2, une visualisation du maillage est donnée en gure 2.8 

Géométrie diamètre 1 mm 

longueur 

5 mm 

Maille proche paroi épaisseur (composante radiale) : 

∆ + R 

3 

∆ R 7.4 10 −3 mm 

largeur (composante azimuthale) : 

ρ 

∆ + θ 

10 

∆ θ 24.9 10 −3 mm 

longueur (composante axiale) : 

∆ + z 30 

∆ z 74.6 10 −3 mm 

Maillage global Nombre de cellules 128366 

Volume minimal de cellule 1.13 10 −5 mm 3 

Tab. 2.2 Propriétés du maillage 

Résultats 

Lors du calcul mené avec C3S les variables temporelles ont été sauvegardées toutes les 100 itérations. 

À partir de ces données, la vitesse débitante moyenne est de 90.57 m.s soit 3.3% d'erreur avec la vitesse 

débitante prévue qui valait −1 93.59 m.s (issue de la formule empirique 2.1). Cela est raisonnable compte 

tenu de l'activation du modèle de sous-maille −1 qui est dissipatif. 

De plus, il a été spécié dans C3S que des solutions moyennes devraient être écrites. Ainsi à terme 

la solution moyenne a été calculée durant 300000 itérations soit 165 temps convectifs (basé sur la vitesse 

débitante). Je me suis principalement intéressé aux valeurs RMS car elles contiennent l'information sur la 

turbulence.Lagure2.9présenteunecomparaisonentrelavitesseaxialeRMSetlesmesuresexpérimentales 

eectuées par Eggels et al. 

Ces résultats susent à valider le calcul du canal turbulent. Les attentes ont été correctement remplies : 

LasimulationnumériqueestentièrementcontrôléeparlenombredeReynolds.Lesdébitsobtenussont 

tout à fait corrects. 

Le phénomène de turbulence est clairement résolu sur le maillage comme peuvent le montrer les 

gures 2.10 et 2.11.


Fig. 2.8 Visualisation du maillage hybride utilisé pour l'étude du canal turbulent. 

Fig. 2.9 Comparaison des prols de vitesse axiale RMS avec les mesures de Eggels et al.


Fig. 2.10 Visualisation de la vitesse axiale RMS sur une coupe médiane du maillage. 

Fig. 2.11 Visualisation d'une isosurface de gradient de vitesse axiale colorée par la vitesse.

38 2. VALIDATION DE LA CHAÎNE DE CALCUL C3S

Chapitre 3 

Présentation de l'outil Genprole 

Genprole est un outil FORTRAN qui crée automatiquement des prols de vitesse sur les surfaces 

d'entrée. Imposer un prol plat dans AVBP peut entraîner des oscillations de pression sur le pourtour de 

l'entrée. Cela s'explique par le fait qu'il y a intéraction entre les conditions limites voisines. Par exemple, un 

prol de vitesse constant pour une entrée bordée de mur non-glissant pose des problèmes car la vitesse doit 

être nulle sur le mur. 

Ledéveloppementdegenprole avaitétéinitiéparunprécédentstagiaire,maisilnefonctionnaitpas.Mes 

objectifs étaient donc de rendre cet outil fonctionnel puis d'en nettoyer le codage et enn de le généraliser. 

En plus d'en faire un outil utile pour C3S, cet outil est aussi destiné au cadre plus global d'AVBP, il se doit 

de pouvoir être utilisé seul. Cela permet à l'équipe combustion d'avoir un outil générique pour imposer un 

prol de vitesse en entrée, ce qui induit des gains de temps et une sécurisation accrue. 

Lasection3.1donneraunebrèvedescriptiondesconditionsauxlimitesdeparoisdisponiblesdans AVBP 

ainsi que leur traitement par genprole. 

3.1 Conditions aux limites de parois d'AVBP 

Cette section présente brièvement les conditions aux limites de parois d'AVBP. Genprole se doit de 

respecter les paramètres de chacune pour créer un prol de vitesse cohérent. 

Les conditions aux limites de type "WALL_SLIP" 

Pour un tel type de condition aux limites, seule la composante normale au mur de la vitesse doit être 

nulle. Dans ce cas genprole conserve un prol de vitesse plat. 

Les conditions aux limites de type "WALL_NOSLIP" 

Lavitessesurlemurestnulle(composantesnormaleettangentielle).Laformeduprolestdonnéparle 

type d'écoulement que souhaite l'utilisateur. Il peut choisir entre un écoulement laminaire et un écoulement 

(moyen) de type turbulent. Ce type de condition limite n'est utilisé que si le maillage est susament rané 

proche de la paroi. 

Les conditions aux limites de type "WALL_LAW" 

En LES est assez compliqué de raner le maillage près de la paroi à cause de la dégradation du pas de 

temps. Qui plus est la LES peut poser des problèmes pour la simulation proche paroi. En eet le modèle de 

sous maille est principalement dissipatif, il ne permet pas de faire remonter à l'échelle résolue de l'énergie 

de sous-maille. Or il s'agit principalement du phénomène qui a lieu à la paroi, les petites structures se 

développent et grandissent en taille et en énergie. Pour palier à ces problèmes une approche de type loi de 

1 

1 ne pas sur-contraindre l'écoulement en imposant à la fois, la vitesse au mur, et la vitesse dans la première maille (calculée 

par le schéma numérique), ce qui peut générer du bruit numérique 

39

40 3. PRÉSENTATION DE L’OUTIL GENPROFILE 

paroi est utilisée. La couche limite est donc modélisée et pas résolue. 

Dansunecouchelimiteturbulentelavitesseréduite u + = u u τ 

peutêtreexpriméeàpartirdelagrandeur 

adimensionnée y dénie par : 

+ y + = y.u τ 

ν 

Où ν est la viscosité dynamique du uide. La vitesse de frottement u τ peut être déduite de la contrainte de 

cisaillement pariétale τ paroi par : 

u τ = 

√ 

τparoi 

Lorsque y estinférieurà11.8larégionconsidéréedelacouchelimiteestappeléesouscouchevisqueuse 

et la vitesse réduite + peut être modélisée linéairement (équation 3.1). 

u + = y + ∀y + ≤ 11.8 (3.1) 

Lorsque y est compris entre + 11.8 et 10 , la vitesse réduite est alors modélisée par une loi logarithmique 

(équation 3.2). 

3 u + = 1 κ Ln ( E × y +) ∀y + / 11.8 ≤ y + ≤ 10 (3.2) 

Où κestlaconstantedeVanKarmanégaleà 0.41et 3 E laconstanteintégraleégaleà 9.2.Pourunecondition 

auxlimitesdetypeWALL_LAWseulelacontraintedecisaillementpariétale τ paroi estimposée,cequilaisse 

lacomposantetangentielledelavitesse"uctuante".Lacomposantenormaledelavitesseesttoutdemême 

imposée à zéro pour assurer la conservation de la masse. Cette méthode revient à décaler la véritable limite 

physique d'une distance δ par rapport au bord du domaine de calcul. En supposant que ce décalage reste 

petit devant la taille de la première cellule voisine, on peut alors négliger δ lors du calcul de la distance 

entre le noeud 1 et le mur. Cette hypothèse est valide dans le cas d'écoulement à haut Reynolds. La vitesse 

imposée sur la frontière numérique est en fait celle d'un point très proche de la paroi situé dans la couche 

limite. La gure 3.1 permet d'expliciter graphiquement cette méthode. 

Fig.3.1Proldevitesseproched'unmur,etnotationdesparamètresutilisésdansuneloideparoi AVBP. 

En supposant que la distance au mur et la vitesse du noeud 1 sont connues (calculées par le schéma), 

et que y 1 est compris dans la zone logarithmique, AVBP calcule de façon itérative la vitesse de frottement 

grâce à la + loi logarithmique : 

u 1 

= 1 ( 

u τ κ Ln E u τ y 

) 

1 

(3.3) 

ν 

La contrainte de cisaillement peut alors être déduite de la vitesse de frottement grâce à l'équation 3.1. Pour 

déterminer la vitesse nal appliquée sur le mur, un bilan des forces est fait sur la première cellule et donne : 

( ) ∂u 

τ paroi = (µ + µ t ) = ρu 2 τ (3.4) 

∂y 

1 

Où ρ est la masse volumique du uide et µ t la viscosité turbulente donnée par : 

µ t = ρκ 2 y 2 ∂u 

∂y 

En supposant que dans une couche limite turbulente, la viscosité turbulente est bien plus élevée que la 

viscosité laminaire, l'équation 3.4 devient : 

( ) 2 ∂u 

ρκ 2 y1 

2 = ρu 2 τ (3.5) 

∂y 

1 

Enn la dérivée de premier ordre peut être discrétisée avec un schéma décentré du premier ordre, ce qui 

donne : 

u 1 − u ′ δ 

y 1 

ρ 

= u τ 

κy 1 

⇒ u ′ δ = u 1 − u τ 

κ 

(3.6)

3.2. DÉTERMINATION DE LA FORME GLOBALE DU PROFIL DE VITESSE 41 

Résolution par genprole. 

Ladémarchede genprole estsimilaireàcelled'AVBP.Aprèsavoirdéterminélavitesseaunoeud1etsa 

distance par rapport au mur, genprole résout itérativement l'équation 3.3. Le précédent stagiaire utilisait 

la forme exponentielle équivalente (équation 3.7) de cette équation ce qui lui évitait les problèmes de valeurs 

négatives lors de la résolution. 

( 

Exp κ u ) 

1 

− E u τ y 1 

= 0 

u τ 

(3.7) 

ν 

Cependant les valeurs prises par l'exponentielle étant trop importantes, le calcul devenait irréalisable d'un 

point de vue numérique. J'ai donc utilisé la forme logarithmique pour résoudre cette équation avec un 

algorithme de Newton. S'il arrive lors de la résolution de l'équation qu'une valeur négative soit trouvée, 

alors le code impose comme nouvelle valeur le dixième de la précédente. La gure 3.2 permet de mettre en 

évidence ce principe. 

Fig. 3.2 Courbe de tendance pour une loi de type f(x) = 1 − Ln(x). Mis en évidence d'un cas favorable 

x 

à la résolution par l'algorithme de Newton (tracé rouge) et d'un cas défavorable (tracé vert). 

3.2 Détermination de la forme globale du prol de vitesse 

Toutes les formes d'entrée peuvent être traitées avec genprole. Cependant genprole utilise des prols 

théoriques valables pour le disque et les fentes. À partir de là genprole peut par exemple utiliser un prol 

type fente sur une entrée annulaire.


Prol de vitesse en écoulement laminaire 

genprole se base sur les formules théoriques de Poiseuille 2D et Poiseuille 3D présentées par les équations 

3.8 et 3.9. 

( 

u = 3 ( ) ) 2 L − y 

2 U deb 1 − 4 Poiseuille 2D utilisé pour une fente d'épaisseur L (3.8) 

L 

( ) 

u = 2U deb 1 − Poiseuille 3D utilisé pour un disque de rayon R (3.9) 

r2 

R 2 

Danslecasoùl'entréeauraituneformediérentedesdeuxcas"théoriques"présentésci-dessus, genprole 

calcule un rayon caractéristique à partir de la surface de l'entrée. 

R eq = 

√ 

Sentree 

Puis l'équation de Poiseuille 3D est adaptée au cas et donne : 

u = 2U deb 

( 

1 − (R eq − y) 2 

π 

R 2 eq 

Où y représente la distance entre le mur et le noeud considéré. 

Prol de vitesse en écoulement turbulent 

La forme d'un prol de vitesse dans une conduite turbulente peut être approchée par une loi puissance. 

Pour une entrée circulaire on a : 

( y 

) 1 

n 

u = U max (3.10) 

R 

Où u est la vitesse au noeud considéré, y sa distance par rapport au mur et U max la vitesse maximale au 

centre de la conduite. Le coecient n est donné par la loi de Blasius : 

1 

n = √ Λ Λ = 0, 3164R − 1 4 (3.11) 

Où Λestlecoecientdepertedechargeet RlenombredeReynoldsassociéàl'écoulement. U max estobtenu 

par conservation du débit sur la surface d'entrée. Ainsi, toujours dans le cas d'une conduite circulaire, on 

obtient : 

U max = U bulk 

α 

with, α = 

) 

2n 2 

(3.12) 

(n + 1) (2n + 1) 

Dans le cas d'une conduite qui aurait pour entrée une fente innie d'épaisseur L, on modie un peu la 

formulation de l'équation 3.10 pour obtenir : 

Par conservation du débit cela donne : 

U max = U bulk 

α 

u = U max 

( 2y 

L 

) 1 

n 

(3.13) 

with α = n 

n + 1 

(3.14) 

Tout comme pour les écoulements laminaires, pour une forme d'entrée quelconque genprole utilise un 

rayon caractéristique basé sur la surface pour assimiler l'entrée à un disque.

3.3. DESCRIPTION DE LA DÉMARCHE DE GENPROFILE ET DE SON CODAGE. 43 

############################################ 

Set path for genprofile tool 

############################################ 

'/home/combe/RUN_GENPRO/test_11.coor' 

!Mesh coordinate file 

'/home/combe/RUN_GENPRO/test_11.exBound' !Mesh exBound file 

'/home/combe/RUN_GENPRO/BC_test_11.asciiBound' !asciiBound file 

'dummy_tpf' 

!asciiBound tpf file 

'/home/combe/RUN_GENPRO/input_premix.dat' !premix file 

'/home/combe/RUN_GENPRO/BC_test_11.solutBound' !solutBound file 

############################################ 

0 Mesh in : meter(0)/millimeter(1) 

############################################ 

1 Number of inlet patches 

############################################ 

1 Inlet patch number 

1 Laminar(0)/Turbulent(1) 

0 Slit treatment (1) or not (0) 

0 Characteristic length 

1.0 bulk velocity on x or surfacic mass flux 

0.0 bulk velocity on y 

0.0 bulk velocity on z 

############################################ 

Fig. 3.3 Fichier genprole.choices. 

3.3 Description de la démarche de genprole et de son codage. 

3.3.1 Initialisation et lecture des chiers 

La gure 3.3 présente le chier genprole.choices qui lors du lancement de genprole transmet les informations 

sur le cas à traiter. L'utilisateur pourra donc dénir le nombre d'entrée qu'il souhaite traiter 

avec genprole, l'écoulement associé (laminaire ou turbulent) et s'il souhaite un prol de type fente. Lors de 

précédentes versions genprole calculait elle-même le débit associé à une entrée à partir du prol plat que 

l'utilisateuravaitprécédemmentcréédanslechier .solutBound.Parsoucidecommoditéj'airajoutédansle 

chier genprole.choices les valeurs cibles pour les valeurs de vitesses débitantes à obtenir. Cela permet une 

utilisation plus claire et plus facile de l'outil. 

3.3.2 Détermination des noeuds communs 

Avant tout calcul genprole repère d'abord les limites de l'entrée en cherchant les noeuds communs à 

l'entrée et aux murs voisins. En plus de repérer cette frontière cela permet aussi de déterminer les types de 

conditions aux limites appliquées aux murs voisins. En eet genprole nécessite que tous les murs environnants 

soient du même type, dans le cas contraire l'entrée considérée n'est pas traitée et genprole impose un 

prol plat. 

3.3.3 Calcul de la distance au mur 

Pourtouslesnoeudssituéssurl'entrée, genprole détermineladistanceaumurleplusproche.Pourcela 

il parcourt la frontière de l'entrée (noeuds communs) et calcule le produit scalaire entre la normal au mur et 

levecteurposition.Laméthodeprécédemmentutiliséeneretenaitquelevecteurposition,celaentrainaîtdes 

erreurssurlesmaillagestétraédriqueslorsquelenoeudconsidéréétaittropprochedelaparoi.Orcesnoeuds 

sont essentiels car dans le cas de conditions aux limites de type WALL_LAW la distance y 1 est essentielle. 

3.3.4 Détermination de la forme de l'entrée 

genprole a besoin d'une longueur caractéristique pour pouvoir calculer le prol de vitesse. Deux méthodes 

sont possibles : 

genprole calcule le rayon caractéristique à partir de la surface de l'entrée.


L'utilisateur souhaite un traitement de type fente, auquel cas il donne l'épaisseur de la fente dans le 

chier genprole.choices. 

3.3.5 Détermination du prol de vitesse 

PouruneconditionauxlimitesdetypeWALL_SLIP, genprole imposeunproldevitesseplat.Pourles 

autres types de conditions aux limites (WALL_NOSLIP et WALL_LAW) genprole applique les équations 

de la section 3.2. 

Calcul du nombre de Reynolds. Ce paramètre est essentiel pour les utilisateurs qui voudraient 

imposer un prol moyen de vitesse de type turbulent. 

Calcul en chaque noeud de la valeur de la vitesse à partir des équations de la section 3.2. 

Les conditions aux limites de type WALL_LAW nécessite un traitement supplémentaire pour déterminer la 

vitesse au mur. 

Détermination de y 1 . Pour tous les noeuds communs, genprole cherche le noeud n'appartenant 

pas à la frontière le plus proche de celui-ci. y 1 est alors la moyenne de toutes ces distances projetées 

sur les normales locales au mur. 

Détermination de u 1 à partir des équations de la section 3.2 et de y 1 . 

Détermination de u τ . genprole résout itérativement l'équation 3.3. 

Détermination de u δ. La vitesse sur le mur est calculée avec l'équation 3.6. 

′ 

3.3.6 Correction numérique du ux 

Le fait d'appliquer un prol de vitesse analytique sur un maillage entraîne des erreurs de discrétisation. 

An d'obtenir le débit initialement prévu, genprole corrige donc le débit nal par un facteur correctif. Ce 

facteur n'est autre que le rapport entre le débit initial calculé avec la vitesse débitante et le débit nal après 

avoir imposé la forme du prol. 

3.4 Résultats 

Pour comparer les prols de vitesse issus de C3S, j'ai utilisé les prols de vitesse calculés par AVBP. 

3.4.1 Conditions aux limites de type WALL_LAW 

L'écoulement dans ce cas est implicitement turbulent. La comparaison des prols présentée sur la - 

gure 3.4 a été faite avec une conguration de canal plan inni. Le nombre de Reynolds de l'écoulement est 

de 60000 et la première maille à la paroi a une épaisseur réduite y 1 égale à 102. Cela explique l'utilisation 

de ce type de condition aux limites. 

+ 

On constate sur ces courbes un très bon accord dans la zone proche paroi avec une estimation de la 

vitesse sur le mur très pertinente. Au centre du canal (abscisse 12.5 mm du graphique) une divergence des 

valeursestobservée,celaestduaumodèleenloipuissancecarsadérivéenes'annulepasaucentreducanal. 

3.4.2 Conditions aux limites de type WALL_NOSLIP 

La conguration étudiée est le canal périodique turbulent présenté à la section 2.2.3. 

Prol de vitesse dans le cas d'un écoulement laminaire 

La coincidence entre les deux courbes (voir gure 3.5) est parfaite, même si genprole surestime très 

légèrment la vitesse maximale au centre du canal.

3.4. RÉSULTATS 45 

Fig. 3.4 Comparaison des prols de vitesse issus de genprole et d'AVBP pour un canal plan inni à 

R = 60000. Les murs supérieurs et inférieurs sont de type WALL_LAW. 

Fig. 3.5 Comparaison des prols de vitesse issus de genprole et d'AVBP pour un canal cylindrique à 

R = 500. Les murs voisins sont de type WALL_NOSLIP. 

Prol de vitesse dans le cas d'un écoulement turbulent 

Comme pour les conditions aux limites de type WALL_LAW, le prol de vitesse au centre du canal est 

surestimé à cause de la loi puissance (voir gure 3.6). Cependant sur les bords l'approche de genprole est 

correcte.


Fig. 3.6 Comparaison des prols de vitesse issus de genprole et d'AVBP pour un canal cylindrique à 

R = 6000. Les murs voisins sont de type WALL_NOSLIP.

Conclusions 

À l'heure actuelle, la chaîne de calcul C3S est installée à SNECMA et TURBOMECA. Plusieurs industrielstravaillentaveccetoutilsurdescongurationscomplexes(pâlesdecompresseur,injecteurs,secteursde 

chambre de combustion) et ne nous retournent que très peu de problèmes. La version 1.0 de C3S a donc été 

approuvéeparcesdeuxentreprisescequimetuntermeàcetteversion(l'assistanceestbiensûrmaintenue). 

Dès lors nous avons commencé à développer C3S version 2.0 correspondant aux besoins de la deuxième 

année. Certaines évolutions, bien que pensées durant la première année, ont pu ainsi être intégrées : 

ajoutd'ununiquechierprojetcontenantl'intégralitédeschiers AVBP ainsiquetouteslesvariables 

dénies dans C3S, 

instauration d'un système de tests génériques pyramidal qui permet de valider toute la chaîne de 

calcul. Ainsi nous avons pu ajouter un code tricolore pour les onglets ce qui rend l'interface encore 

plus facile à aborder. 

En eet les objectifs de robustesse et d'ergonomie sont toujours les points clés de l'interface. La version 1.0 

aprouvé,departsonintégrationréussiedanslemilieuindustriel,qu'ellepossédaitcesqualités,surtoutcelle 

de la robustesse. 

Pourmapart,cestageauCERFACSm'aététrèsbénéquecarilm'apermisdemieuxcernerle"monde" 

du calcul numérique qu'il ait pour but un développement industriel ou une étude de recherche. 

Tout d'abord, j'ai pu aborder de nouveaux languages informatiques, majoritairement le Tcl/Tk et le 

FORTRAN mais aussi le Shell car le stage s'est eectué sur une station Linux. 

Ledéveloppementdenouveauxoutilsm'aaussimontrélesproblèmesexistantdansuneéquipecomme 

celle de combustion où beaucoup de monde code. Il faut alors adopter un style commun à tous pour 

laisser derrière soi un travail propre et utilisable par tout le monde. 

L'apprentissageducodeAVBP m'asensibiliséàladicultédemeneruncalculproprement.Eneetla 

connaissanceducodeestessentiellepoursavoirquelsmodèlesadopterpourunecongurationdonnée, 

et il n'est pas si facile les premières fois d'obtenir les résultats souhaités. 

Cet aspect informatique ne doit pas pour autant cacher la physique présente dans la CFD. Ainsi les calculs 

sur le canal périodique turbulent ainsi que le développement de genprole m'ont permis de m'intéresser 

principalement aux phénomènes de turbulence qu'ils s'agissent de phénomènes proche paroi (développement 

de la turbulence, lois de paroi) ou de phénomènes "moyens" (prols de vitesse moyenne). 

47

48 3. PRÉSENTATION DE L’OUTIL GENPROFILE

Bibliographie 

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49

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